ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Циклическая прочность строительных сварных конструкций из "Прочность конструкций при малоцикловом нагружении " Расчет строительных конструкций осуществляется в соответствии со строительными нормами и правилами [1]. Получаемый при этом уровень номинальной нагруженности сварных элементов и уровень концентрации напряжений свидетельствуют о возникновении в зонах концентрации локальных пластических деформаций, которые при повторном характере внешней нагрузки приводят к образованию трещины малоцикловой усталости. Так, при обследовании воздухонагревателей доменных печей появление трещин в кожухе было зафиксировано после 2—3 лет эксплуатации, что соответствовало 5 — 6 тыс. циклов. В подкрановых балках тяжелого режима работы повреждения в виде поверхностных трещин вдоль угловых швов приварки верхнего пояса к стенке наблюдались при числах циклов до 2 х 10 , или после 4 лет эксплуатации, в газгольдерах аэродинамических станций — после 4 X 10 циклов нагружения. Опасность появления трещин малоцикловой усталости в сварных конструкциях связана с тем, что трещина данной длины может при определенном соотношении уровня 4нагрузки, климатической температуры эксплуатации, скорости нагружения и других факторов оказаться критической, что приводит к катастрофическому хрупкому разрушению. Раз-рушение может наступить в разный период эксплуатации в зависимости от наступления критического сочетания инициирующих факторов. В этом заключается определенное отличие в разрушении циклически нагруженных конструкций по сравнению со статически нагруженными, основная масса аварий которых приходится на период эксплуатации с первыми похолоданиями при дальнейшей эксплуатации таких конструкций число хрупких разрушений резко сокращается (рис. 9.1). Для циклически нагруженных конструкций в первую зиму и во время испытаний разрушается только 34% конструкций от общего числа зарегистрированных разрушений. При последующей эксплуатации в течение примерно трех лет разрушения отсутствуют, и затем число разрушений начинает увеличиваться с 4 до 10% в год. Такой характер распределения разрушений конструкций под воздействием повторных нагрузок связан с необходимым периодом подрастания дефектов до критических размеров, и поэтому в течение определенного периода разрушения не наблюдаются. При дальнейшей эксплуатации идет накопление повреждений и развитие трещин усталости до образования полного разрушения. [c.170] Примером нестационарной нагруженности может служить спектр нагрузок подкрановых балок и газгольдеров аэродинамических станций. На рис. 9.3 показана автоматическая запись изменения давления в газгольдере. Видно, что имеет место большое число циклов с малыми амплитудами наряду со значительным изменением избыточного давления (иногда от нуля до расчетного значения). Таким образом, малоцикловое нагружение с большими амплитудами давления сочетается с циклическим нагружением с относительно более высокими частотами и меньшими амплитудами. Доля накопленных за определенный период эксплуатации малоциклового и многоциклового повреждений будет зависеть от величины коэффициента концентрации напряжений, определяющего уровень местных напряжений в зонах разрушения. [c.172] Примером конструкций, работающих в малоцикловой области нестационарных нагрузок, могут служить разборные металлические мосты, представляющие большой практический интерес при освоении труднодоступных районов. Минимальные весовые показатели и ускоренные темпы возведения требуют допущения в конструкциях мостов пластических деформаций с целью максимального использования материала, что при циклическом [характере нагрузки ограничивает ресурс их работы сопротивлением малоцикловому разрушению. При изучении нагруженности одного из видов разборных мостов было установлено, что для него за 10. лет предполагаемой службы возможны три сборки — разборки для пропуска 10 единиц подвижной нагрузки из них 20% массой до 5 т, 25% — до 15 т, 50% — до 25 т и 5% — до 50 т. [c.173] Для перехода от значений внешних нагрузок (номинальных напряжений) к локальным напряжениям и деформациям необходимо располагать в соответствии с нормами расчета энергетических конструкций на малоцикловую усталость [2] значениями кэффициен-тов концентрации напряжений (при упругих деформациях) и коэффициента концентрации деформаций К , если местные напряжения превышают предел текучести материала. Если для геометрических концентраторов напряжений типа отверстий, галтелей, выточек и т. п. такие данные в области упругих деформа ий широко представлены в работах [3, 4], то применительно к сварным соединениям строительных конструкций такая систематизация до настоящего времени отсутствует. В связи с этим были проведены исследования зон концентрации напряжений и деформаций в стыковых и угловых швах при простейших способах нагружения (растяжение, изгиб) с применением [5] методов фотоупругости и фотоупругих покрытий. При исследованиях варьировались следующие величины, характеризующие геометрию сварного шва и определяющие уровень концентрации напряжений для стыковых швов — относительная высота наплавленного металла к его ширине q e, относительная ширина шва е/5, радиус перехода р и толщина свариваемых пластин з для угловых швов — соотношение катетов, радиус перехода р и толщина з. Диапазон изменения этих параметров был выбран на основе стандартных допусков на геометрию швов, выполненных ручной дуговой сваркой плавящимся электродом, автоматической и полуавтоматической под слоем флюса и дуговой сваркой в защитных газах. Было принято, что в стыковых сварных соединениях относительная высота валика шва не превышает 0,7, а относительная ширина шва находится в пределах 0,03 е/з 3,4. С увеличением толщины свариваемых пластин относительная высота и относительная ширина шва. [c.173] Радиус перехода от металла шва к основному металлу стандартами на основные способы сварки не нормирован. Анализ результатов замера реальных сварных угловых швов показал, что этот радиус составлял 3 — 5 мм при автоматической сварке под флюсом, 2—3 мм при полуавтоматической в среде углекислого газа и 0,4—0,5 мм при ручной сварке. Для указанных значений размеров сварных швов были проведены исследования коэффициентов концентрации напряжений и даны соответствуюш ие зависимости и графики для их вычисления. [c.174] Коэффициенты и а следует определять по графическим зависимостям на рис. 9.5 при фиксированном значении параметра р/х. [c.174] Наличие в сварном шве внутреннего дефекта в виде непровара, шириной до 10% от толщины соединения и расположенного перпендикулярно действующему усилию, не оказывает существенного влияния на о в месте перехода металла шва к основному металлу. [c.175] Коэффициенты концентрации деформации для стыковых и угловых швов сварных соединений малоуглеродистых и низколегированных строительных сталей, выполненных сварочными материалами, предел текучести которых выше предела текучести основного металла в первом приближении, идущем в занас, моншо определять по графическим зависимостям на рис. 9.11. Горизонтальные участки кривых соответствуют упругой области деформирования в зоне концентрации Кц = а а) и определяются согласно зависимостям (9.1), (9.2) и (9.3). [c.175] Для упругопластических деформаций при Оп/от 1/ а величина вычислялась на основе формулы (2.7) без учета упрочнения материала в неупругой области. [c.175] Накопление повреждений и развитие разрушений в рассмотренных в 2 зонах концентрации напряжений строительных конструкций при малоцикловом нагружении определяются характеристиками статических и циклических свойств используемых материалов. [c.175] К силовым характеристикам прочности относятся значения разрушающих напряжений в зависимости от числа циклов нагружения и степени развития разрушения, а к деформационным — диаграммы циклического упругопластического деформирования, закономерности накопления односторонних деформаций и предельные разрушающие деформации при заданной базе испытания. [c.175] Испытания строительных сталей и металла сварных соединений проводились на механических и гидравлических машинах с записью диаграмм деформирования в координатах напряжение — деформация [6, 7]. [c.179] Частота нагружения составляла 1—10 цикл/мин, база испытаний — от однократного разрушения до 10 —10 циклов нагружения. Измеритель деформации устанавливался на цилиндрической рабочей части диаметром 10 мм, обеспечивая измерение деформаций на базе 50 мм. Образцы вырезались из листов толщиной 30— 40 мм поперек направления проката. Эта форма рабочей части образцов использовалась для исследования малоцикловых свойств основного материала и сварного соединения. Для исследования свойств различных зон металла шва в связи с их разнородностью использовались образцы корсетной формы. Минимальный диаметр корсетной части располагалсн в исследуемой зоне сварного шва, которая предварительно выявлялась травлением. В качестве таких зон были выбраны металл шва и металл зоны термического влияния. В последнем случае минимальное сечение располага.тось на расстоянии 2—3 мм от границы сплавления в сторону основного металла. Для измерения деформаций на корсетных образцах использовался деформометр, обеспечивающий измерение поперечных деформаций в минимальном сечении. Пересчет поперечных деформаций в продольные осуществлялся по интерполяционным формулам, приведенным в работе [6]. [c.179] Приведенные данные показывают значительное различие деформационных свойств различных зон сварного соединения при статическом и циклическом упругопластическом деформировании, которые, как следует из гл. 1, 2 и 11, будут определять сопротивление разругпению материала при малоцикловом нагружении. Учитывая, что малоцикловая прочность реального сварного соединения определяется соответствуюгцей зоной шва в расчетах на малоцикловую прочность сварных конструкций, необходимо использовать зональные характеристики прочности и пластичности сварного соединения (рис. 9.12). [c.180] Приведенные выше кривые малоцикловой усталости различных зон сварных соединений могут быть использованы в соответствии с рекомендациями гл. 11 для уточненного расчета по деформационным критериям малоцикловой прочности сварных соединений в строительных конструкциях с учетом эффектов концентрации напряжений, рассмотренных в 2. [c.183] Данные малоцикловых испытаний натурных сварных соединений и элементов металлоконструкций используются для непосредственной оценки их долговечности, для проверки критериев малоцикловой прочности, а также для назначения запасов прочности. Испытаниям сварных образцов предшествовали исследования малоцикловых свойств листового проката, которые наряду с данными, полученными на лабораторных образцах (см. 3), имеют целью установить характеристики малоцикловой прочности с учетом влияния состояния поверхности и масштабного фактора, которые при испытаниях цилиндрических лабораторных образцов не выявляются. Испытанию подвергались плоские образцы (рис. 9.16), вырезанные поперек направления прокатки и обладающие наименьшим сопротивлением распространению трещины. На рис. 9.17 приведены данные для стали 16Г2АФ, полученные при пульсирующем и симметричном циклах на цилиндрических и плоских образцах. Видно, что влиянием поверхностной окалины и масштабного фактора на малоцикловую прочность в первом приближении можно пренебречь. [c.183] Кроме того, кривая усталости имеет четко выраженный перелом, который соответствует смене характера разрушения. Так, при уровнях напряжений ниже значения СГ ., соответствующего точке перелома, разрушение носит усталостный характер, а при 7тах разрушение происходит квазистатпчески. [c.183] Вернуться к основной статье